專利名稱：用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑及制備和使用方法
技術領域：
本發明涉及一種用于土木工程或者環境巖土工程中的改良劑，具體來說，涉及用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑及制備和使用方法。
背景技術：
電石渣是用電石生產重要化工原料乙炔時產生的廢渣，主要成分氫氧化鈣，還含有碳酸鈣、二氧化硫、硫化物、鎂和鐵等金屬的氧化物、氫氧化物等無機物以及少量有機物。 有效氧化鈣一般在60%以上，滿足道路工程中III級鈣質消石灰的標準，現有研究表明電石渣多應用于道路工程材料，如粉煤灰-電石渣作為路基材料完全合格，具有施工工期短、效率高的特點。電石渣來源廣泛，據國家發展與改革委員會統計，2003年國內共生產電石530 萬噸，按消耗每噸電石產生1. 2噸電石渣計，全國產生的電石渣超過600萬噸。電石渣漿的含水量大、堿性高，且流量大，是污水管網的重點污染源；而干電石渣的主要成分是氧化鈣， 是高堿性物質PH值可達12以上。排放及存儲電石渣常占用大量的耕地，長期存放的土地嚴重鈣化，復耕非常困難。如果管理不當會對本地生態環境及空氣質量造成嚴重影響。電石渣目前的價格低廉(10元/噸，含運輸費)，相比同類產品生石灰(280-350元/噸)，兩者價格相差顯著，如果能將電石渣用于特殊土處理(如膨脹性重金屬污染黏土)將大大降低工程造價，具有良好的經濟效益和社會效益。
廢堿渣是采用氨堿法生產化工原料純堿的過程中產生的廢棄物，據統計每生產一頓純堿，排放大約IOm3的廢液,其中堿洛約400 600kg。堿洛的任意堆積和排放會對環境和水體造成嚴重的污染，對其進行回收再利用可以帶來經濟效益和環境效益。
膨脹性黏土含有大量親水黏土礦物(主要是蒙脫石、伊利石、高嶺石等)，濕度變化時有較大體積變化，膨脹變形受約束時產生較大內應力的黏性土，在我國廣大江河流域分布非常廣泛。由于它具有顯著的遇水膨脹、失水干縮的特點，常給膨脹地區的工程建設帶來意想不到的困難和災害。當受重金屬(如鉛、鋅和銅)污染后，由于重金屬與黏土中的硅氧、鋁氧等活性結構結合，其物理力學特性在一定程度上得到改善(如強度增加和變形量減少)，使脹縮現象得到緩解。然而，當膨脹性污染黏土經歷脹縮變化后，水作用使土體原有組成結構發生較大變化，影響土體吸附能力(包括物理和化學吸附)且加劇土體膨脹。重金屬離子(如鉛、鋅和銅)大量溶出后，隨地下水遷移，污染周邊土水環境，對周邊居民健康及動植物生存產生危害。當采用傳統堿性固化劑改良膨脹性重金屬污染粘土時，重金屬離子的存在會嚴重阻礙傳統堿性固化劑水化反應的進行，進而影響改良效果。
目前針對改良膨脹性重金屬污染黏土的研究尚不成熟，對受重金屬污染后的物理力學特性及淋濾特性研究尚處在探索階段，缺乏經濟高效的專用固化劑和詳細規范的處理設計方法。如采用傳統膨脹性黏土的改良方法，如摻生石灰、水泥、粉煤灰、氯化鈉、氯化鈣和磷酸等，當重金屬含量較低時(重金屬總含量小于2000mg/kg)改良效果尚能滿足要求； 但當重金屬含量較高(重金屬總含量大于2000mg/kg)且重金屬種類較多時(兩種及兩種以上)，效果不明顯。發明內容
技術問題本發明所解決的技術問題是提供一種用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑，該固化劑適用于重金屬含量較高(重金屬總含量大于2000mg/kg)且重金屬種類較多的污染黏土，固化劑對該污染黏土的固化效果佳；同時，還提供了該固化劑的制備方法和使用方法，使得該固化劑能夠有效的對膨脹性重金屬污染黏土進行固化。
技術方案為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是
一種用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑，所述的固化劑按照重量百分比，由以下組分組成
改性電石潘60% 70% ；
偏高嶺土 10% 20% ；
重燒氧化鎂10% 20%。
上述的用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑制備方法，該制備方法包括以下步驟
步驟10):制備改性電石渣；
步驟20):將偏高嶺土、重燒氧化鎂和步驟10)制備的改性電石渣混合，其中各組分的重量百分比為改性電石渣60% 70%、偏高嶺土 10% 20%、重燒氧化鎂10% 20%， 然后調節含水率至40% 50%，攪拌10 15min，使偏高嶺土、重燒氧化鎂和改性電石渣混合混合均勻，烘干過2mm篩,制成固化劑。
進一步，所述的步驟10)包括以下步驟
步驟101):干燥廢堿渣，使得廢堿渣的含水率〈2%，過Imm篩，然后將廢堿渣與摩爾濃度為O. 3 O. 5mol/L的氫氧化鈉溶液按照Ikg廢堿渣與IL氫氧化鈉溶液的比例進行混合，再加入十二烷基磺酸鈉，攪拌均勻得到渾濁液，其中，加入的十二烷基磺酸鈉的質量是干燥廢堿渣質量的I一3% ;向該渾濁液中加入三聚磷酸鈉分散劑，其中加入的三聚磷酸鈉分散劑占干燥廢堿渣質量的3 — 5% ;接著靜置該渾濁液I一2h，直至混合液中的混濁物沉淀到下部，上部形成清液；取該溶液的上部清液，如果該清液的PH值在12. O 12. 5之間， 則烘干過1_篩，制成改性劑，如果該清液的PH值不在12. O 12. 5之間，則重新操作步驟 101)，直至清液的pH值在12.0- 12. 5之間；
步驟102):將含水率〈5%，且粒徑小于Imm的電石渣與步驟101)制備的改性劑混合，電石洛與改性劑的質量比為3 :1 4 :1，干拌5 IOmin,使其混合均勻，形成混合干粉；
步驟103):向步驟102)制備的混合干粉中加入摩爾濃度為O. 5mol/L的丙烯酸溶液，其中，丙烯酸溶液與混合干粉比例為IL丙烯酸溶液中加入Ikg干粉，攪拌10 15min， 使其混合均勻，形成粘稠狀的混合液；
步驟104):烘干步驟103)制備的混合液，形成塊狀顆粒，然后研磨該塊狀顆粒，過 2mm篩，形成粉末，該粉末為改性電石渣。
上述用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑的使用方法，將該固化劑與膨脹性重金屬污染黏土干土進行混合攪拌，且固化劑摻量為固化劑質量為膨脹性重金屬污染黏土干土質量的3% 5%。
有益效果與現有技術方案相比，本發明具有以下有益效果
(I)固化效果佳。重金屬的存在(特別是重污染程度的重金屬以及多種金屬存在) 使土體性質異常復雜，單一的固化劑或改良劑難以滿足改良效果。與固化劑的傳統材料電石渣相比，本發明的固化劑為化學改性的復合材料，包含改性電石渣、重燒氧化鎂和偏高嶺土。本發明的固化劑的顆粒更細，比表面積更大并且在水溶液中更易電解出帶正電荷陽離子，PH值穩定。與土體混合后，本發明的固化劑水化反應迅速，受重金屬干擾較少，且對土顆粒吸附水的化學鍵破壞性較強，改變土顆粒強親水特性，具有較好的固化效果。使用本發明的固化劑固化后的膨脹性重金屬污染黏土，吸水膨脹性顯著減小，膨脹量和膨脹力明顯降低；pH值穩定在12左右(12±0. 3)。重金屬離子固定率可達98%以上，毒性浸出試驗指標(TCLP)符合美國資源保護與回收法案標準，Pb<5mg/L, Zn<25mg/L, Cu〈25mg/L。
( 2 )有效利用廢物原 料，有利于環境保護。與石灰、水泥等改良劑相比，本發明的固化劑包含電石渣和廢堿渣兩種工業廢料。本發明固化劑的組分主要為工業廢料，成本更低， 且能實現以廢治廢，具有良好的經濟和環境效益。
具體實施方式
本發明的一種用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑，所述的固化劑按照重量百分比，由以下組分組成
改性電石洛60% 70% ；
偏高嶺土 10% 20% ；
重燒氧化鎂10% 20%。
所述的改性電石渣是對電石渣進行改性后得到的產物。改性目的是減小比重，穩定PH值，增高粘粒的含量，增加比表面積。改性電石渣的pH值為12.0-12. 5，粘粒的重量百分含量> 30%,比表面積為40. 5-58. 5m2/g ;粘粒為粒徑小于2 μ m的顆粒。在改性電石渣中,粒徑小于2 μ m的顆粒為粘粒,粒徑在2 — 74 μ m的顆粒為粉粒,粒徑大于74 μ m的顆粒為砂粒。未改性的干電石渣的比表面積為25. 5-30. 5m2/g。
上述固化劑的制備方法包括以下步驟
步驟10):制備改性電石渣。
步驟10)具體包括步驟101) —步驟104)
步驟101):干燥廢堿渣，使得廢堿渣的含水率〈2%，過Imm篩，然后將廢堿渣與摩爾濃度為O. 3 O. 5mol/L的氫氧化鈉溶液按照Ikg廢堿渣與IL氫氧化鈉溶液的比例進行混合，再加入十二烷基磺酸鈉，攪拌均勻得到渾濁液，其中，加入的十二烷基磺酸鈉的質量是干燥廢堿渣質量的I一3% ;向該渾濁液中加入三聚磷酸鈉分散劑，其中加入的三聚磷酸鈉分散劑占干燥廢堿渣的質量的3—5% ;接著靜置該渾濁液12h，直至混合液中的混濁物沉淀到下部，上部形成清液；取該溶液的上部清液，如果該清液的PH值在12. O 12. 5之間， 則烘干過1_篩，制成改性劑，如果該清液的PH值不在12. O 12. 5之間，則重新操作步驟 101)，直至清液的pH值在12.0- 12. 5之間；
步驟102):將含水率〈5%，且粒徑小于Imm的電石渣與步驟101)制備的改性劑混合，電石洛與改性劑的質量比為3 :1 4 :1，干拌5 IOmin,使其混合均勻，形成混合干
步驟103):向步驟102)制備的混合干粉中加入摩爾濃度為O. 5mol/L的丙烯酸溶液，其中，丙烯酸溶液與混合干粉比例為IL丙烯酸溶液中加入Ikg干粉，攪拌10 15min， 使其混合均勻，形成粘稠狀的混合液；
步驟104):烘干步驟103)制備的混合液，形成塊狀顆粒，然后研磨該塊狀顆粒，過 2mm篩，形成粉末，該粉末為改性電石渣。
步驟20):將偏高嶺土、重燒氧化鎂和步驟10)制備的改性電石渣混合，其中各組分的重量百分比為改性電石渣60% 70%、偏高嶺土 10% 20%、重燒氧化鎂10% 20%， 然后調節含水率至40% 50%，攪拌10 15min，使偏高嶺土、重燒氧化鎂和改性電石渣混合混合均勻，最后烘干過2mm篩,制成固化劑。
上述固化劑的使用方法，即使用上述固化劑對膨脹性重金屬污染黏土進行固化的過程，將該固化劑與膨脹性重金屬污染黏土干土進行混合攪拌，且固化劑摻量為固化劑質量為膨脹性重金屬污染黏土干土質量的3% 5%。所述的膨脹性重金屬污染黏土的液限大于90%，塑性指數大于40%，自由膨脹率大于90%，小于O. 005mm顆粒含量大于80%，且土壤中重金屬鉛含量大于5000mg/kg,重金屬鋅含量大于5000mg/kg,重金屬銅含量大于4000mg/kg ο
下面通過試驗來說明本發明的固化劑具有的優良效果。
試驗對改良后的膨脹性重金屬污染黏土，即使用固化劑對膨脹性重金屬污染場地進行改良后的污染土體的界限含水率、自由膨脹率及毒性浸出特性進行評定。其中，界限含水率通過界限含水率試驗(液限碟式儀；塑限搓條法)來測定土體的強度值，單位，% ;自由膨脹率通過自由膨脹率試驗獲得,單位,％ ;毒性浸出特性通過毒性淋濾試驗(TCLP，Toxic Characteristic Leaching Procedure)測定，單位 mg/L。
試驗材料
I)膨脹性黏土基本性質試驗用土取自鹽城某地，其基本指標為液限^=96. 3%，塑限wp=38. 6%，自由膨脹率為94%，細粒(粒徑< 5 μ m)含量為82. 3%，屬于強膨脹土 ；
2)重金屬污染形式鉛、鋅、銅重金屬污染采用硝酸鹽(化學分析純)，重金屬鉛含量大于5000mg/kg,重金屬鋅含量大于5000mg/kg,重金屬銅含量大于4000mg/kg。
3)膨脹性重金屬污染黏土土樣制備將預備的膨脹性黏土烘干、粉碎并過O. 5mm 篩待用，將硝酸鹽固體粉末(過O. 25mm篩)摻加到膨脹性黏土中，機械攪拌10分鐘以上至均勻混合，制得膨脹性重金屬污染黏土土樣。
4)工業電石渣基本性質所選用的電石渣的基本物理化學特性和化學成分如表I 和表2，
表I電石渣基本物理化學特性
權利要求
1.一種用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑，其特征在于，所述的固化劑按照重量百分比，由以下組分組成 改性電石渣60% 70% ； 偏高嶺土 10% 20% ； 重燒氧化鎂10% 20%。
2.按照權利要求1所述的用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑，其特征在于，所述的改性電石渣的pH值為12. 0-12. 5，粘粒的重量百分含量彡30%,比表面積為40. 5-58. 5m2/g ；粘粒為粒徑小于2 ii m的顆粒。
3.—種權利要求1所述的用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟 步驟10):制備改性電石渣； 步驟20):將偏高嶺土、重燒氧化鎂和步驟10)制備的改性電石渣混合，其中各組分的重量百分比為改性電石渣60% 70%、偏高嶺土 10% 20%、重燒氧化鎂10% 20%，然后調節含水率至40% 50%，攪拌10 15min，使偏高嶺土、重燒氧化鎂和改性電石渣混合混合均勻，烘干過2mm篩,制成固化劑。
4.按照權利要求3所述的用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑的制備方法，其特征在于，所述的步驟10)包括以下步驟 步驟101):干燥廢堿渣，使得廢堿渣的含水率〈2%，過Imm篩，然后將廢堿渣與摩爾濃度為0. 3 0. 5mol/L的氫氧化鈉溶液按照Ikg廢堿渣與IL氫氧化鈉溶液的比例進行混合，再加入十二烷基磺酸鈉，攪拌均勻得到渾濁液，其中，加入的十二烷基磺酸鈉的質量是干燥廢堿渣質量的I一3% ;向該渾濁液中加入三聚磷酸鈉分散劑，其中加入的三聚磷酸鈉分散劑占干燥廢堿渣質量的3 — 5% ;接著靜置該渾濁液I一2h，直至混合液中的混濁物沉淀到下部，上部形成清液；取該溶液的上部清液，如果該清液的PH值在12. 0 12. 5之間，則烘干過Imm篩，制成改性劑，如果該清液的pH值不在12. 0 12. 5之間，則重新操作步驟101)，直至清液的pH值在12. 0 12. 5之間； 步驟102):將含水率〈5%，且粒徑小于Imm的電石渣與步驟101)制備的改性劑混合，電石渣與改性劑的質量比為3 :1 4 :1，干拌5 lOmin，使其混合均勻，形成混合干粉； 步驟103):向步驟102)制備的混合干粉中加入摩爾濃度為0. 5mol/L的丙烯酸溶液，其中，丙烯酸溶液與混合干粉比例為1L丙烯酸溶液中加入Ikg干粉，攪拌10 15min，使其混合均勻，形成粘稠狀的混合液； 步驟104):烘干步驟103)制備的混合液，形成塊狀顆粒，然后研磨該塊狀顆粒，過2mm篩，形成粉末，該粉末為改性電石渣。
5.一種權利要求1所述的用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑的使用方法，其特征在于，將該固化劑與膨脹性重金屬污染黏土干土進行混合攪拌，且固化劑摻量為固化劑質量為膨脹性重金屬污染黏土干土質量的3% 5%。
6.根據權利要求5所述的用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑的使用方法，其特征在于，所述的膨脹性重金屬污染黏土的液限大于90%，塑性指數大于40%，自由膨脹率大于.90%，小于0. 005mm顆粒含量大于80%，且土壤中重金屬鉛含量大于5000mg/kg，重金屬鋅含量大于5000mg/kg,重金屬銅含量大于4000mg/kg。
全文摘要
本發明公開了一種用于膨脹性重金屬污染黏土的固化劑，固化劑按照重量百分比，由以下組分組成改性電石渣60%～70%；偏高嶺土10%～20%；重燒氧化鎂10%～20%。該固化劑制備方法包括以下步驟步驟10)制備改性電石渣；步驟20)將偏高嶺土、重燒氧化鎂和改性電石渣混合，然后調節含水率至40%～50%，攪拌10～15min,使偏高嶺土、重燒氧化鎂和改性電石渣混合混合均勻，烘干過2mm篩，制成固化劑。該固化劑適用于重金屬含量較高且重金屬種類較多的污染黏土，固化劑對該污染黏土的固化效果佳。
文檔編號C04B14/10GK102992724SQ20121050607
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月3日 優先權日2012年12月3日
發明者杜延軍, 魏明俐, 陳志龍, 朱晶晶, 楊玉玲 申請人:東南大學